Электромеханические системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Обеспечение живучести асинхронных электроприводов
Статья научная
Представлен краткий обзор известных методов обеспечения живучести. На основе анализа скрытых резервов системы привода предложен и обоснован новый принцип построения электропривода со свойством живучести, представлены необходимые требования, предъявляемые к двигателю и преобразователю, разработаны алгоритмы управления асинхронным линейным приводом в аварийном режиме, предложены технические решения по реализации.Для проверки представленных алгоритмов управления, обеспечивающих живучесть, разработана специальная математическая модель линейного и вращающегося асинхронного электропривода и представлены результаты моделирования в нормальном и некоторых аварийных режимах работы, подтверждающие работоспособность предложенных принципов.В заключении проанализированы характеристики привода и показана возможность восстановления работоспособности в аварийном режиме работы. Кроме того, представлены рекомендации по проектированию асинхронных двигателей с обеспечением свойства живучести, а также определены направления для дальнейших исследований.
Бесплатно
Обеспечение электромагнитной совместимости мощных электротехнических комплексов
Статья научная
Рассмотрены основные технические средства обеспечения электромагнитной совместимости мощных нелинейных электроприемников - дуговых сталеплавильных печей и электроприводов прокатных станов. Проведено сравнение основных показателей компенсирующих устройств реактивной мощности двух типов: статического тиристорного компенсатора и СТАТКОМа. Проанализированы силовые схемы мощных СТАТКОМов с различными методами АИМ. Особое внимание уделено формированию входного напряжения 12-пульсного СТАТКОМа на базе параллельного соединения двух трехуровневых инверторов с уравнительным реактором, имеющим среднюю точку. Показано, что данное схемотехническое решение обеспечивает спектр напряжения с уровнем гармоник не более 2,5 %.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены вопросы обеспечения электромеханической совместимости в асинхронных электроприводах. Для исследования электромеханических процессов в системах с автономными ШИМ-инверторами напряжения и асинхронными двигателями разработана компьютерная модель привода. Расчеты на модели показали, что непрерывное изменение частоты опорного напряжения инвертора во времени позволяет на порядок уменьшить амплитуды высших гармоник тока и электромагнитного момента двигателя при их неизменных коэффициентах искажения. Вследствие уменьшения амплитуд гармоник момента происходит снижение вибраций электропривода. Потери в двигателе изменяются незначительно. Изменение частоты опорного напряжения в заданном диапазоне частот не должно осуществляться с частотой питающих двигатель токов.
Бесплатно
Обзор методов определения параметров моделей синхронных генераторов
Статья научная
Синхронный генератор является одним из основных элементов электроэнергетической системы, оказывающих существенное влияние на устойчивость и надёжность электроснабжения потребителей. В настоящее время задачи противоаварийного и режимного управления энергосистемами решаются на основе математических моделей, параметры которых задаются с помощью паспортных данных или данных, полученных при испытаниях. Высокая зависимость значений параметров математических моделей от внешних факторов ведёт к значительному снижению точности анализируемых процессов. Для повышения точности параметров математических моделей энергосистем применяются идентификация на основе измерений, полученных с помощью традиционных систем телеметрии или векторных измерений. Целью данной статьи является проведение метаанализа существующих исследований, направленных на разработку методики определения параметров синхронного генератора по данным измерений. Для достижения поставленной цели были проанализированы и сгруппированы как российские, так и зарубежные исследования. Затем для каждой группы были выявлены достоинства, недостатки, а также область применения. В результате было показано, что существующие методики определения параметров синхронных генераторов по данным измерений не способны подстраиваться к набору исходных данных, а также требуют значительных вычислительных мощностей. В качестве способа преодоления указанных недостатков предлагается адаптивная модель синхронной машины.
Бесплатно
Статья научная
Предложена аналитическая обобщенная математическая модель электромеханического преобразователя как объекта управления, которая позволяет осуществлять синтез законов управления в контурах тока и момента электроприводов переменного тока. Приведена система уравнений модели, которые отличаются тем, что сочетают метод обмоточных функций и энергетический метод получения электромагнитных координат электропривода (МДС, ЭДС, электромагнитного момента). Даны рекомендации по построению алгоритмов расчета на ЭВМ. Результатами моделирования являются удельные электромагнитные моменты различных электромеханических преобразователей, ЭДС обмоток, скорость вращения ротора и частота тока в обмотках. Использовать модель рекомендуется на первом этапе оценочных расчетов при следующих допущениях: электромеханический преобразователь не насыщен, магнитная проводимость стали равна бесконечности, отсутствуют потоки рассеяния. Для более точных расчетов требуется применение численных моделей расчета магнитного поля по уравнениям Максвелла методом конечных элементов.
Бесплатно
Обоснование схемы активного фильтра гармоник на основе гибридного каскадного инвертора
Статья научная
С увеличением количества уровней в инверторе усложняется схема, увеличивается количество полупроводниковых ключей. Поэтому представляют интерес топологии, которые позволяют получить увеличение уровней напряжения с уменьшением количества полупроводников, повысить производительность и надежность системы. Предложена схема гибридного каскадного инвертора, рассмотрен метод широтно-импульсной модуляции на основе несущей, приведена блок-схема алгоритма генерации опорных модулирующих сигналов в оптимизированном методе широтно-импульсной модуляции. Для управления гибридным инвертором в составе активного фильтра гармоник в работе предложен метод широтно-импульсной модуляции несущей, который позволяет уменьшить синфазное напряжение, коммутационные потери, минимизировать гармоники тока и напряжения. Приведено описание алгоритма ШИМ, на основе которого осуществляется модуляция управляющих сигналов и затем сравнение их с треугольной несущей для генерации последовательности импульсов, включающих или отключающих полупроводниковые ключи. Целью предложенных решений является улучшение гармонических искажений, вызванных нелинейной нагрузкой в низковольтной системе 0,4 кВ. Приведены результаты моделирования предложенной схемы активного фильтра гармоник. На основании выполненных исследований показано, что применение активного фильтра гармоник на основе 5-ступенчатого гибридного инвертора при управлении методом широтно-импульсной модуляции является эффективным средством фильтрации высших гармоник на шинах низкого напряжения 0,4 кВ при наличии нелинейной нагрузки, что позволяет решить задачу по устранению воздействия высших гармоник на производственную деятельность предприятия.
Бесплатно
Статья научная
Отмечено расширение сортамента прокатных станов за счет производства листового проката из труднодеформируемых марок стали. Обоснована актуальность разработки способов снижения динамических нагрузок электромеханических систем реверсивной клети толстолистового стана при захвате металла валками. Показано, что в системе управления электроприводами горизонтальных валков стана 5000 ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК») отсутствуют технические решения, обеспечивающие снижение динамического момента и отклонений скорости при ударном приложении нагрузки. Представлены осциллограммы, подтверждающие неудовлетворительный характер переходных процессов при прокатке листов из труднодеформируемых сталей. Обоснована разработка способа ограничения момента за счет увеличения межвалкового зазора перед захватом металла с последующим возвращением валков в заданную позицию. Представлена схема системы регулирования, реализующая предложенный способ. Рассмотрена структура математической модели мехатронной системы прокатной клети, включающая модели электропривода горизонтальных валков и гидравлического привода нажимных устройств (НУ), взаимосвязанных через металл. Приведены математические зависимости, описывающие переходные процессы гидравлического НУ и изменение давления и момента при деформации. Выполнено моделирование динамического режима захвата заготовки с одновременным изменением зазора при различных темпах перемещения НУ. В результате подтверждена целесообразность внедрения алгоритма, реализующего предложенный способ, в АСУ ТП стана 5000. Представлены осциллограммы, полученные в режиме захвата заготовки при существующем и разработанном алгоритмах управления. Подтверждено улучшение динамических показателей скорости и момента. Отмечена целесообразность проведения исследований с целью оценки эффективности внедрения разработанного способа в электромеханических системах клетей широкополосных и сортовых прокатных станов.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены математические модели асинхронного двигателя, представленные в виде системы уравнений и структурной схемы, предложены методы коррекции системы скалярного управления АД, обеспечивающие снижение колебаний электромагнитного момента, приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов в частотном асинхронном электроприводе с системой скалярного управления и дополнительными корректирующими устройствами. Представленная система скалярного управления асинхронным двигателем позволяет осуществлять пуск электропривода и регулирование скорости, при этом достигается стабилизация электромагнитного момента асинхронного двигателя с максимальным отклонением от среднего значения, не превышающего 5 %, и обеспечивать подавление колебаний скорости двигателя в переходных режимах. Системы частотного асинхронного электропривода со скалярным управлением с улучшенными динамическими свойствами могут найти применение на металлургических механизмах.
Бесплатно
Статья научная
Исследование особенностей работы электрических машин периодического движения в составе электромеханических комплексов различного целевого назначения направлено на создание высокоэффективных электроприводов как линейного, так и углового колебательного движения. Особое место среди них занимают безредукторные электроприводы, в которых колебательный режим работы формируется за счет различных видов модуляции питающих фазных напряжений исполнительного двигателя. На основании анализа математической модели вентильного электропривода определена методика расчета его выходных параметров при колебательном движении с учетом функций регулирования, параметров электрической машины и нагрузки. Показано, что при определении колебательного электромагнитного момента вентильного двигателя при инженерных расчетах достаточно учитывать в его демпфирующей составляющей только постоянные члены. Получено выражение, определяющее амплитуду колебаний подвижного элемента вентильного электродвигателя, что позволило установить возможность регулирования собственной частоты электропривода за счет изменения амплитуды одного из фазных напряжений. Представлены результаты математического моделирования вентильного электропривода колебательного движения в математической среде MathCAD 2000, иллюстрирующие возможность обеспечения резонансного режима работы электропривода согласно разработанному алгоритму. Полученные в работе аналитические соотношения составили теоретические основы не только для расчета выходных параметров, но и рабочих характеристик вентильного электропривода колебательного движения. Они также могут быть рекомендованы для оценки динамических и энергетических показателей электропривода в режиме колебательного движения.
Бесплатно
Статья научная
Приводятся результаты исследования по выбору оптимального соотношения между наружным и внутренним диаметром для ВМАП с сегментными магнитами. Основываясь на том, что электромагнитная мощность ВМАП пропорциональна магнитному потоку и сечению проводников полюсного деления, было отмечено, что осевая длина машины в меньшей степени влияет на мощность. В большей степени на выходную мощность при фиксированном наружном диаметре влияет внутренний диаметр. Если внутренний диаметр приближается к наружному, то происходит уменьшение магнитного потока. При уменьшении внутреннего диаметра сокращается сечение проводников якорной обмотки. Таким образом, существует оптимальный внутренний диаметр, обеспечивающий максимальную выходную мощность при фиксированном наружном диаметре. В работе определены и теоретически доказаны оптимальные соотношения между наружным и внутренним диаметрами аксиальных машин для магнитных систем призматическими и сегментными магнитами.
Бесплатно
Определение углового положения ротора синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов
Статья научная
Описан наблюдатель электрического угла поворота вала синхронного двигателя с постоянными магнитами, состоящий из вычислителя проекций вектора потокосцепления на оси неподвижной системы координат α-β и следящего контура, сопровождающего этот вектор по фазе (контур фазовой автоподстройки частоты, далее ФАПЧ). Показано, что в режимах движения электропривода с постоянным ускорением ошибка следящего контура имеет постоянную составляющую. Для её устранения предложено использовать метод комбинированного управления. В качестве опорного сигнала на интегратор угла следящего контура (контур ФАПЧ) подается выходная координата наблюдателя скорости вала эквивалентного двигателя постоянного тока. ПИ-регулятор компенсирует малые отклонения в контуре. Модификация наблюдателя не препятствует функционированию следящего контура в скользящем режиме. Сторонний наблюдатель скорости вала позволяет замкнуть контур скорости привода с сохранением предельной для двигателя динамики.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены активные способы демпфирования колебаний и ограничения динамических нагрузок в упругих передачах механизмов, которые реализуются благодаря созданию дополнительных управляющих воздействий электропривода. Целью исследований является определение условий, позволяющих минимизировать требуемые энергетические затраты электропривода при применении активных способов ограничения динамических нагрузок в упругих механических передачах. Получены аналитические выражения для определения минимально возможных значений момента (тока) двигателя и ЭДС питающего его преобразователя, необходимых для заданного уменьшения динамических усилий механизмов. Определены условия минимизации момента двигателя и ЭДС преобразователя при реализации активных способов ограничения динамических усилий упругих механизмов. Установлено, что для эффективного применения активных способов необходимо, чтобы канал ограничения динамических усилий механизмов обеспечил изменение составляющей момента от дополнительного управляющего воздействия в противофазе с усилием в упругом элементе механической передачи, что позволит минимизировать энергетические затраты электропривода. Приведены примеры практической реализации активного способа ограничения динамических усилий упругих механизмов в реальных условиях промышленной эксплуатации
Бесплатно
Оптимальная траектория движения позиционного электропривода
Статья научная
Определена оптимальная траектория движения позиционного электропривода на примере механизма подачи стана холодной прокатки труб. Показано, что оптимальной формой кривой скорости является треугольник, а соотношение его сторон зависит от вида нагрузочной диаграммы, в частности от влияния главного привода прокатной клети, и не зависит от наличия люфта и упругости в системе. Данный тезис, доказанный аналитически, подтверждается результатами, полученными на математической модели, учитывающей влияние главного привода на привод подачи. Проведенная статистическая обработка осциллограмм, полученных на реальном объекте, позволила дать рекомендации по оптимальному управлению электроприводом подачи стана ХПТ-450. Исходя из полученных данных о том, что момент наброса нагрузки, обусловленный попаданием трубы в валки прокатной клети, происходит в промежутке (0,6…0,75)t ц, рекомендуемым соотношением времени пуска ко времени торможения является 2:1. Проведенная оптимизация траектории движения позволяет получить до 25 % больший среднеквадратичный момент за цикл подачи, что позволит увеличить производительность стана.
Бесплатно
Оптимизация динамических режимов комплекса асинхронных электроприводов технологической линии
Статья научная
Представлены результаты исследований и синтеза системы управления комплекса электроприводов технологической линии окраски листового материала - древесноволокнистой плиты (ДВП) для строительной и мебельной промышленности. Линия построена на базе асинхронных электроприводов с частотным управлением (АЭП). Для повышения качества изделий решалась задача обеспечения равномерной окраски и сушки листов на всех стадиях технологического процесса. Перевод части валков линии на индивидуальный привод обеспечил возможность регулирования их скорости, что позволило добиться выравнивания линейной скорости протягивания листа. Введение положительной обратной связи по току статора в АЭП с бездатчиковым управлением группы валков, отвечающей за покраску листа ДВП, позволило эффективно решить задачу комплексного управления электроприводами линии окраски и уменьшить долю брака до 1-3 %.
Бесплатно
Оптимизация пусковых процессов в асинхронном частотном электроприводе со скалярной САР
Статья научная
В работе рассматриваются принципы оптимизации частотно-регулируемых асинхронных электроприводов со скалярными разомкнутыми системами управления. Обсуждаются вопросы формирования специальных законов управления, предназначенных для работы в динамических (пуско-тормозных режимах). Предлагаются структуры для реализации указанных законов. Также обсуждается вопрос начального намагничивания асинхронного привода в скалярной системе. Приводятся результаты моделирования.
Бесплатно
Основы теории обобщенного энергопотока трехфазных электромеханических преобразователей
Статья научная
Рассмотрены свойства мгновенных энергетических преобразований в трехфазных цепях электромеханических устройств. В результате суммирования мгновенных значений энергии и мощности отдельных фаз и инвариантного перехода к обобщенному энергопотоку получены уравнения динамического баланса активной и реактивной мощности электромеханических преобразователей. Показано, что обобщенные переменные суммарного энергопотока имеют аналоговый характер, как в цепях постоянного тока. Данное свойство позволило получить качественно новые аналоговые модели электромеханических устройств. На конкретном примере исследованы динамические свойства аналоговой энергетической модели и показан квазидинамический характер уравнений обобщенного энергопотока. Приведены примеры использования энергетического метода для решения задачи мониторинга нагрузки трехфазного асинхронного привода и получения переменных, недоступных для прямого измерения. Рассмотрена вариационная задача настройки параметров энергетической модели по наиболее точным техническим данным асинхронного двигателя.
Бесплатно
Оценка влияния колебаний нагрузки на ресурс изоляции асинхронных двигателей
Статья научная
Актуальность исследований обусловлена необходимостью повышения надежности и снижения аварийности асинхронных электроприводов из-за выхода из строя обмотки статора. Целью исследований является разработка способа учета влияния изменений температуры обмотки при колебаниях нагрузки на термический ресурс изоляции. Исследования проводились с использованием 5-массовой термодинамической модели закрытого асинхронного двигателя, работающего в режиме случайного нагружения. Была использована кластеризация серии двигателей с последующим созданием обобщенной термодинамической модели для каждого кластера. При подборе параметров обобщенной модели использовался метод генетических алгоритмов. С помощью моделирования на основе обобщенных термодинамических моделей были получены выражения для приближенного учета влияния колебаний температуры обмотки на ускорение расхода термического ресурса изоляции. Предложен простой способ учета этого влияния на этапе выбора и проверки двигателя при конструировании электропривода.
Бесплатно
Статья научная
При реакторном пуске асинхронных электроприводов время переключения на сеть является единственным регулируемым параметром. При переключении на сеть в конце пускового режима возрастают тепловые потери в двигателе, при ранних переключениях - возникают значительные по величине ударные электромагнитные моменты. Обоснованный выбор времени переключения требует детального анализа электромагнитных процессов в двигателе. В работе приводятся результаты теоретических исследований, позволяющих осуществить выбор времени переключения, при котором минимизируется негативное влияние колебательной составляющей момента и повышенного тепловыделения при пуске. Введены универсальные критерии оценки колебательности переходного момента двигателя на основе интегрального параметра - среднеквадратичного значения колебательной составляющей электромагнитного момента за время пуска двигателя.
Бесплатно
Оценка ресурса изоляции обмотки статора асинхронного двигателя при работе в циклических режимах
Статья научная
Надежность изоляции электрической машины в значительной степени определяет ее общую надежность. Это вызывает необходимость разработки более точных методов оценки теплового состояния машины, чем косвенные методы, в большинстве случаев используемые на практике. В работе получены выражения, позволяющие проводить сравнение различных режимов работы электродвигателей по условию равного термического износа изоляции. Приведены результаты расчета изменения остаточного теплового ресурса изоляции статорной обмотки асинхронных двигателей при работе в режимах S3 и S6 с различной продолжительностью цикла.
Бесплатно
Статья научная
Определены резервы энергосбережения при частотном регулировании производительности дутьевого вентилятора с двухскоростным асинхронным двигателем водогрейного котла КВГМ-100. Предложен способ регулирования производительности тягодутьевых механизмов путем переключения преобразователя частоты с обмотки высокой скорости на обмотку низкой скорости и дроссельного регулирования в диапазонах скоростей, близких к номинальным значениям скоростей на этих обмотках. Представлена схема устройства, обеспечивающего реализацию способа. Построены естественные и искусственные характеристики дутьевого вентилятора и магистрали при работе двигателя на обмотке высокой скорости при дроссельном и частотном регулировании. Выполнен сравнительный анализ потерь мощности, установлено, что применение частотного регулирования обеспечивает ресурс энергосбережения до 42 % по сравнению с дроссельным регулированием. Выполнен сравнительный анализ энергопотребления при реализации предложенного способа при условии одинаковой продолжительности работы на обмотках высокой и низкой скоростей. В результате показано расчетное снижение энергопотребления от 22 до 35 % в зависимости от сочетания способов регулирования производительности. Доказано, что при частотном регулировании на обмотке низкой скорости не происходит снижения эквивалентного к.п.д. и соответственно увеличения потребляемой мощности дутьевого вентилятора. Отмечено, что технико-экономический эффект обеспечивается за счет ресурсосбережения и повышения надежности тягодутьевых механизмов при сохранении показателей энергопотребления. Даны рекомендации по применению выполненных разработок.
Бесплатно
